大直徑平底負(fù)壓容器優(yōu)化設(shè)計(jì)

荊志敏

（湖南化工醫(yī)藥設(shè)計(jì)院，湖南長沙 410021）

摘要：通過對大直徑平底負(fù)壓容器平底板的設(shè)計(jì)計(jì)算，提出了對平底板采取加強(qiáng)措施，從而減薄平底板計(jì)算厚度的方法。該容器在實(shí)際生產(chǎn)過程中性能可靠、穩(wěn)定，對類似設(shè)備設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：負(fù)壓容器；大直徑；平底板；設(shè)計(jì)

工業(yè)上常使溶液在真空下蒸發(fā)以降低溶液的沸點(diǎn)^[1]。在貴州某復(fù)合肥項(xiàng)目中，閃蒸室采用的就是真空蒸發(fā)技術(shù)。85℃原料料漿通過進(jìn)料口進(jìn)入設(shè)備，在負(fù)壓的閃蒸室中，形成的飽和水蒸汽通過閃蒸室頂部分離出去，從而達(dá)到濃縮原料料漿的目的。

1. 閃蒸室主要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及分析

閃蒸室的筒體為變徑帶錐殼結(jié)構(gòu)，尺寸為DN5800/DN6600×11617mm，殼體材質(zhì)：Q245R，平底板材質(zhì)：Q345R。主要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)見表1，設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 蒸發(fā)室設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

圖1 閃蒸室結(jié)構(gòu)

為了方便原料料漿進(jìn)入閃蒸室后，能順利流出設(shè)備內(nèi)部，因此閃蒸室下部采用了平板傾斜結(jié)構(gòu)。

工作狀況下，平底板受力分析為：-0.067MPa負(fù)壓，平底板自重力，物料質(zhì)量產(chǎn)生的壓應(yīng)力。按保守考慮，平底板計(jì)算應(yīng)力取設(shè)計(jì)壓力-0.1MPa。

由GB150.1~150.4-2011^[2]式5-33可得平底板計(jì)算厚度為77.05mm，K取值0.3，平底板進(jìn)行了100%射線檢測，φ取值1.0。分析計(jì)算結(jié)果可以得出，5800mm直徑，名義厚度78mm的平底板加工難度將會非常大、底板平面度難以保證、如此之重的底板安裝施工難度也將很大。

在工作壓力、設(shè)備直徑、選用底板型式不變的情況下，只有采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用加強(qiáng)平底板得以減薄平底板厚度的方法，方能得到更為合理的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

2. 底板加強(qiáng)模型

平底板加強(qiáng)筋如圖2所示。

圖2 平底板剖視圖

2.1平底板剛度

因?yàn)槠降装迮c加強(qiáng)工字鋼焊接在一起的，可以計(jì)算平底板加強(qiáng)工字鋼剛度，將其控制在安全范圍，即平底板也安全。

穿過中心線處工字梁最長，在相同壓力下，為撓度最大的一根工字梁。設(shè)計(jì)中選擇該工字梁計(jì)算。由以上數(shù)據(jù)得知，設(shè)計(jì)壓力為-0.1MPa，作用力方向豎直向上；物料重力、平底板重力，作用力方向豎直向下。為簡化計(jì)算，僅考慮設(shè)計(jì)壓力-0.1MPa，且這樣考慮是偏保守的。

2.1.1工字梁強(qiáng)度

工字梁受力簡圖見圖3，

圖3 工字梁受力圖

工字梁剖面圖見圖4。

圖4 工字梁剖面圖

工字梁受力計(jì)算如下：

主梁受力為：

主梁最大彎矩：

將F=2.9x10e5N,l=5.8m帶入（1）式，得Mmax=7000Nm

工字梁材質(zhì)選Q235A，查NB/T47003.1-2009《鋼制焊接常壓容器》^[4]中P14頁。得85℃時(shí)，Q235A需用應(yīng)力[σ]^85℃=126MPa。

因此，工字梁最小抗彎截面模數(shù)：

查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》^[3]中P551頁，得30a#工字鋼抗彎截面模數(shù)為：

，即選用30a#工字鋼滿足計(jì)算強(qiáng)度要求。

2.1.2工字梁剛度

如圖3所示，均布載荷：

主梁最大撓度：

式中q=5100kg/m, l=5.8m，Q235A工字梁彈性模量：E=197000MPa，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》^[3]中P551頁，得30a#工字鋼截面軸慣性矩為：J=11075.5cm4。將數(shù)據(jù)帶入（2）式，得，

撓度安全。

由以上計(jì)算得知，工字梁的強(qiáng)度與撓度均在安全范圍之內(nèi)。由于底板是由工字梁支撐的，因此，底板剛度是安全的。

2.2平底板強(qiáng)度

平底板支撐工字梁布置簡圖見圖5。

圖5 平底板支撐梁布置簡圖

從圖5可以看出，平底板被支撐工字梁分割成若干個(gè)受支撐區(qū)域，并且從平底板剛度計(jì)算中得知工字梁有足夠的支撐強(qiáng)度。

將被工字梁所分割的小區(qū)域單獨(dú)建模成圖6所示計(jì)算模型，即矩形容器計(jì)算模型。矩形容器按0.1MPa內(nèi)壓考慮。

圖6 平底板計(jì)算模型

運(yùn)用化工設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算軟件SW6-2011^[5]矩形容器進(jìn)行計(jì)算，輸入相應(yīng)參數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表2矩形容器計(jì)算。

表2 矩形容器計(jì)算

由表2可以看出長邊板計(jì)算厚度為17.0mm，建模中將平底板等效為長邊板的模型。因此，平底板計(jì)算厚度可以等效為17.0mm。考慮到腐蝕裕度1mm及其它綜合因素，最終將平底板名義厚度確定為22mm，且這樣考慮是偏安全的。

2.3平底板設(shè)計(jì)

在本工程中蒸發(fā)室底板設(shè)計(jì)最終形式是，平底板選用Q345R熱軋板，名義厚度為22mm；采用30a#工字鋼支撐梁按圖5所示進(jìn)行加強(qiáng)。

3. 結(jié)束語

（1）大直徑平底負(fù)壓容器的平底板不采用加強(qiáng)方式設(shè)計(jì)，需要的平底板壁厚通常會很厚。由此會給焊接及安裝施工帶來很大的難度，焊接及安裝施工質(zhì)量也難以保證。

（2）在能滿足化工工藝及制造工藝條件下，采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不但能降低施工難度，而且也會節(jié)約施工方面的成本，設(shè)備結(jié)構(gòu)也會更加緊湊合理。

（3）目前該項(xiàng)目已順利投產(chǎn)，經(jīng)過實(shí)際檢驗(yàn)，本設(shè)備運(yùn)行正常和可靠，性能穩(wěn)定。對在其它項(xiàng)目中類似設(shè)備設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1]譚天恩，麥本熙，丁惠華.化工原理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006，294.

[2]GB150.1~150.4-2011，壓力容器[S].

[3]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊聯(lián)合編寫編組.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1987.

[4]NB/T47003.1-2009，鋼制焊接常壓容器[S].

[5]全國化工設(shè)備設(shè)計(jì)中心站，SW6-2011.

作者簡介：荊志敏（1983—），男，湖南永州人，工程師。主要從事石油化工壓力容器設(shè)計(jì)工作。

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